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,计算机硬件基础,计算机导论,这是什么?,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,2,内容摘要,本章以微型计算机为例介绍计算机硬件系统的基本结构及工作原理；介绍了主板的结构、微处理器的构成、主存储器的分类、输入输出原理；扩展槽、适配卡、系统总线和端口的分类；输入设备、输出设备、辅助存储器的种类及基本工作原理。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,3,学习目标,掌握计算机系统的基本结构和基本工作原理，了解微处理器、存储系统、主板、总线和接口的相关常识，了解各种输入输出设备和功能。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,4,本章主要内容,2.1 计算机系统的组成与工作原理 2.2 微处理器 2.3 存储系统 2.4 主板、总线与接口 2.5 输入/输出设备,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,5,本章主要内容,2.1 计算机系统的组成与工作原理 2.2 微处理器 2.3 存储系统 2.4 主板、总线与接口 2.5 输入/输出设备,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,6,计算机系统的组成与工作原理 2.1,在计算机系统中，对于软件和硬件的功能没有一个明确的分界线。软件实现的功能可以用硬件来实现，称为硬化或固化。反之，硬件实现的功能也可以用软件来实现，成为硬件软化。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,7,学习完本节后，你将了解到： 计算机系统的基本结构 计算机系统的工作原理 计算机体系结构 计算机中数据的表示,计算机系统的组成与工作原理 2.1,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,8,计算机系统的基本结构 2.1.1,微型计算机是大规模集成电路发展的产物，是以中央处理器为核心，配以存储器、I/O接口电路及系统总线所组成的计算机。 微型计算机以其结构简单、通用性强、可靠性高、体积小、质量轻、耗电省、价格便宜等特点。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,9,冯诺依曼计算机的结构,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,10,1、中央处理器（CPU）,中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成 运算器：对二进制数进行运算的部件 算术运算：加、减、乘、除、求绝对值等 逻辑运算：与、或、非、比较大小、移位等 字符运算：字符的连接，取子串等,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,11,1、中央处理器（CPU）,运算器的组成： 算术逻辑单元（ALU） 是运算器的主要部件，完成指令系统所规定的各种算术运算和逻辑运算。 标志寄存器 也称程序状态字寄存器，存放反映运算结果的各种特征，如有无进位，是否溢出等。 寄存器组 包括通用寄存器组和专用寄存器组，前者为CPU内部的高速数据暂存器，后者包括程序计数器、堆栈指示器、变址寄存器等。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,12,控制器：是指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求协调工作的部件。 控制器的组成： 程序计数器（PC）：用来对程序中的指令进行计数，使控制器能依次读取指令； 指令寄存器（IR）：在指令执行期间暂时保存正在执行的指令。 指令译码器（ID）：用来识别指令的功能，分析指令的操作要求。 时序控制电路：用来生成时序信号，以协调在指令执行周期内各部件的工作。 微操作控制电路：用来产生各种控制操作命令。,1、中央处理器（CPU）,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,13,2、存储器,存储器：用来存储数据和程序的部件 存储单位： 最小单位：“位”（bit） 最基本的单位：“字节”（byte） 存储容量：存储器所包含的存储单元的总数 其单位为K（1K210B1024B）、M、G、T等 1MB 210 KB 1GB 210 MB 1TB210 GB,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,14,存储器的分类： 内存储器：又称为主存储器，简称为内存或主存，用来存放现行程序的指令和数据。 CPU可直接访问内存 是计算机中的工作存储器 包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等 外存储器：又称为辅助存储器，简称为外存或辅存，用来存放需要长期保存的信息。 不能被CPU直接访问，必须先调入内存 外存容量大，但访问速度慢,2、存储器,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,15,3、输入/输出设备,输入/输出设备：简称为I/O设备，是外部与计算机交换信息的渠道。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,16,输入设备的主要功能是把原始数据和处理这些数据的程序转换为计算机能够识别的二进制代码，通过输入接口输入到计算机的存储器中，供CPU调用和处理。 常用的输入设备有：鼠标、键盘、扫描仪、数字化仪、数码摄像机、条形码阅读器、数码相机、A/D转换器等。,3、输入/输出设备,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,17,输出设备是指从计算机中输出信息的设备。它的功能是将计算机处理的数据、计算结果等内部信息，转换成人们习惯接受的信息形式（如字符、图形、声音等），然后将其输出。 最常用的输出设备是显示器和打印机，还有绘图仪、各种数模转换器（D/A）等。,3、输入/输出设备,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,18,4、主板,主机由中央处理器和内存储器组成，用来执行程序、处理数据 主机芯片都安装在一块电路板上，这块电路板称为主机板（主板）。 为了与外围设备连接，在主机板上还安装有若干个接口插槽，可以在这些插槽上插入与不同外围设备连接的接口卡。 主板是微型计算机系统的主体和控制中心，它几乎集合了全部系统的功能，控制着各部分之间的指令流和数据流。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,19,4、主板,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,20,5、总线,总线(BUS)：计算机中传输信息的公共通路。 总线宽度：一次能够在总线上同时传输信息的二进制位数。 内部总线：连接CPU内部若干基本部件的总线 外部总线（系统总线）：连接系统其它各部件间的总线 按照总线上传输信息的不同，总线可以分为数据总线(DB)，地址总线(AB)和控制总线(CB)三种。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,21,6、接口,不同的外围设备与主机相连都必须根据不同的电气、机械标准，采用不同的接口来实现。 串行接口：按机器字的二进制位，逐位传输信息，传送速度较慢，但准确率高； 并行接口：一次可以同时传送若干个二进制位的信息，传送速度比串行接口快。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,22,计算机系统的工作原理 2.1.2,计算机的指令系统 计算机的工作过程,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,23,1、计算机的指令系统,指令：能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。 指令系统：一台计算机能执行的所有指令的集合。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。 系列计算机:指基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机。系列机解决了各机种的软件兼容问题。但新机型运行的软件在旧机型上不一定总能运行。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,24,基于使用复杂指令集CPU的计算机被称为复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer，简称CISC）; 基于使用精简指令集CPU的计算机被称为精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，简称RISC）。,1、计算机的指令系统,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,25,CISC以VAX-11/780为代表，20世纪70年代后的各种微机如我们用的Intel 80x86均是这种风格的计算机，特点是：指令系统复杂，绝大多数指令需要多个机器周期方可执行完毕。 RISC只有一个数量有限的指令集，但是这些指令的执行速度很快。因此，在理论上，RISC计算机要比CISC计算机快。 RISC与CISC技术两者的主要区别在于设计思想上的差别，RISC的设计思想是：将那些不是最频繁使用的功能（指令）由软件来加以实现，这样就可以优化硬件，并可使其执行得更快。,1、计算机的指令系统,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,26,指令的格式：一条指令由操作码和地址码组成。 操作码规定了该指令进行的操作种类，不同的指令用操作码字段的不同编码来表示，组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模。 地址码指明操作对象的内容或所在的单元地址。,图2.3 机器指令,1、计算机的指令系统,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,27,2、计算机的工作过程,计算机的工作过程实际上是快速地执行指令的过程。指令的执行过程分为以下4个步骤： 取指令：根据指令计数器中的地址从内存储器中取出指令，并将指令送入指令寄存器。 分析指令：即对指令寄存器中存放的指令进行分析，由操作码确定执行什么操作，由地址码确定操作数的地址。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,28,执行指令：根据指令分析结果，由操作控制部件发出完成操作所需要的一系列控制电位，指挥计算机有关部件完成这一操作。 指令完成：指令计数器加1，为执行下一条指令做好准备。如果遇到转移指令，则将转移地址送入指令计数器。,2、计算机的工作过程,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,29,指令周期是取出并执行一条指令的时间，指令周期常常用若干个CPU周期数来表示。 CPU周期也称为机器周期，通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。一个CPU周期时间又包含有若干个时钟周期。,2、计算机的工作过程,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,30,计算机体系结构 2.1.3,现代计算机都遵循冯诺依曼体系结构。冯诺依曼计算机在体系结构上的主要特点包括以下三点: 计算机硬件包括五个基本部分：运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。机器以运算器为中心，所有的部件都由控制器集中控制。 采用二进制形式表示指令和数据,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,31,采用存储程序工作方式。此为冯诺依曼思想的核心内容。 所谓存储程序原理，就是把程序和处理问题所需的数据都以二进制编码形式预先按一定顺序存放到计算机存储器里。计算机在运行程序时就能自动、连续地从存储器中依次取出指令且执行，直到完成预定的任务。 这是计算机能高速自动运行的基础。,计算机体系结构 2.1.3,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,32,常用的计算机体系结构的评测方法 : (1)指令执行速度-MIPS: 它表示每秒百万条指令数，即一秒钟内计算机能执行多少百万条指令。 (2)MFLOPS: 它表示每秒百万次浮点操作次数，即一秒钟内计算机能进行多少百万次浮点操作。 (3)基准程序 (4)综合基准测试程序,计算机体系结构 2.1.3,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,33,(5)响应时间 从事件开始到结束所用的时间 (6)吞吐量 计算机在单位时间内所能完成的工作量。 (7)时钟频率(主频),计算机体系结构 2.1.3,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,34,计算机中数据的表示 2.1.4,进制及进制间的转换 码制 常用字符编码,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,35,1、进制及进制间的转换,（1）数制：按进位的原则进行计数称为进位计数制，简称数制。 （2）位权：数码在不同位置上的权值。 （3）位权表示法数制的特点： 数字的总个数等于基数。 最大的数字比基数小1。 每个数字都要乘以基数的幂次，该幂次由每个数字所在的位置决定。 （4）任何一个N进制数A可表示为： AAn An1 A1 A0.A1 A2 Am,n AiNi i=-m,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,36,二进制,二进制：使用数字0和1等符号来表示数值且采用“逢二进一”的进位计数制。 二进制数制的特点： 仅使用0和1两个数字。 最大的数字为1，最小的数字为0。 每个数字都要乘以基数2的幂次，该幂次由每个数字所在的位置决定。 二进制加法和乘法运算规则： 000 0 00 011 0 10 101 1 00 111 1 11,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,37,八进制与十六进制,八进制：使用数字0、1、2、3、4、5、6、7等符号来表示数值的，且采用“逢八进一”的进位计数制。 十六进制：使用数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9和A、B、C、D、E、F等符号来表示数值，其中A、B、C、D、E、F分别表示数字10、11、12、13、14、15。十六进制的计数方法为“逢十六进一”。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,38,十进制整数转换为非十进制整数,除基取余法：“除基取余，先余为低（位），后余为高（位）”。 例2-1 （55）10（110111）2 余数 2 55 1 2 27 1 2 13 1 2 6 0 2 3 1 2 1 1 0,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,39,十进制小数转换为非十进制小数,乘基取整法:“乘基取整，先整为高(位),后整为低(位)” 例2-2 （ 0.625）10（0.101）2 0.625 整数 2 1 .25 1 0.25 2 0.5 0 2 1.0 1,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,40,十进制数转换为非十进制数,十进制小数并不是都能够用有限位的其他进制数精确地表示,这时应根据精度要求转换到一定的位数为止，作为其近似值。 如果一个十进制数既有整数部分，又有小数部分，则应将整数部分和小数部分分别进行转换。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,41,非十进制数转换为十进制数,位权法：把各非十进制数按权展开，然后 求和。 例2-3 （10110）2 124023122121020 160420 （22）10 例2-4 （10101.1011）2 124023122021120 12-1+02 2123 1604010.500.125 （21.625）10 例2-5 （1207）818 328 208 178 0 51212807 （647）10 例2-6（1B2E）16116 3B16 2216 1E16 0 1409611256216141 （6958）10,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,42,二进制与八进制之间的转换,二进制数转换为八进制数：以小数点为界，将整数部分自右向左和小数部分自左向右分别按每三位为一组（不足三位用0补足），然后将各个三位二进制数转换为对应的一位八进制数。 八进制数转换为二进制数：把每一位八进制数转换为对应的三位二进制数。 例2-7 （10111001010.1011011）2（010 111 001 010 . 101 101 100）2 （2712.554）8 例2-8 （456.174）8 （100 101 110.001 111 100）2 （100101110.0011111）2,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,43,二进制与十六进制之间的转换,二进制数转换为十六进制数：以小数点为界，将整数部分自右向左和小数部分自左向右分别按每四位为一组，不足四位用0补足，然后将各个四位二进制数转换为对应的一位十六进制数。 十六进制数转换为二进制数：把每一位十六进制数转换为对应的四位二进制数。 例2-9 （10111001010.1011011）2 （0101 1100 1010.1011 0110）2 （5CA.B6）16 例2-10 （1A9F.1BD ）16 （0001 1010 1001 1111.0001 1011 1101）2 （1101010011111.000110111101）2,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,44,2、码制,原码表示法：用符号位和数值表示带符号数，正数的符号位用“0”表示，负数的符号位用“1”表示，数值部分用二进制形式表示。 反码表示法：正数的反码与原码相同，负数的反码为对该数的原码除符号位外各位取反。 补码表示法：正数的补码与原码相同，负数的补码是在其反码末位加1。 数的原码表示适合于进行乘除运算；补码用于进行加减运算,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,45,3、常用字符编码,ASCII：单字节字符编码方案; ANSI编码：用两个字节表示一个字符; 本地化编码格式：如GB2312-80，BIG5，JIS等 不同ANSI编码之间互不兼容 UNICODE：一般为四字节 国际化编码格式，为各种语言中的每一个字符设定了统一并且唯一的数字编号,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,46,本章主要内容,2.1 计算机系统的组成与工作原理 2.2 微处理器 2.3 存储系统 2.4 主板、总线与接口 2.5 输入/输出设备,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,47,微处理器 2.2,学习完本节后，你将了解到： 什么是微处理器 微处理器的分类 微处理器的组成 衡量CPU性能的技术指标,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,48,中央处理器是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件 。 微处理器是指具有中央处理器功能的大规模集成电路器件。 根据微处理器的应用领域，微处理器大致可以分为三类： 通用高性能微处理器 嵌入式微处理器和数字信号处理器 微控制器,微处理器 2.2,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,49,通用处理器追求高性能，它们用于运行通用软件，配备完备、复杂的操作系统； 嵌入式微处理器强调处理特定应用问题的高性能，主要用于运行面向特定领域的专用程序，配备轻量级操作系统，主要用于蜂窝电话、CD播放机等消费类家电； 微控制器价位相对较低，在微处理器市场上需求量最大，主要用于汽车、空调、自动机械等领域的自控设备。,微处理器 2.2,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,50,Intel奔腾II CPU Intel奔腾III CPU Intel奔腾CPU,INTEL酷睿2双核心CPU,微处理器 2.2,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,51,微处理器的组成,运算器 控制器 高速缓冲存储器,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,52,运算器的工作过程,（1）从RAM（随机存取器）中取出数据，放到运算器的寄存器中； （2）控制器发出控制信号，决定进行何种运算（算术运算或逻辑运算）； （3）运算器执行相应操作，将结果放到累加器中； （4）将最终运算结果放回RAM，以备输出，如下图所示。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,53,控制器的工作过程,控制器从主存中按顺序取出程序中的一条指令，并放到指令寄存器中； 指令计数器加1，记录下一条指令的地址； 解释该指令并形成数据地址，取出所需的数据； 向其他功能部件发出执行该指令所需的各种时序控制信号； 再从主存中取出下一条指令执行，如此循环，直到程序完成。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,54,高速缓冲存储器CACHE,引入cache的原因: 随着CPU主频的不断提高，CPU对RAM的存取速度快了，而RAM的响应速度相对而言就慢了，所以CPU大部分时间都是在等待从RAM中传送数据，这样大大浪费了CPU资源，为协调二者之间的速度差，引入了Cache技术。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,55,Cache通常采用与CPU速度相接近的RAM Cache实现的方法是： 当用户启动一个任务时，计算机预测CPU可能需要执行哪些程序或要处理哪些数据，并将当前要执行的程序和要处理的数据复制到Cache； CPU在读写时，首先访问Cache，如果Cache中有数据，CPU就从Cache中取而不再到RAM中去取。 Cache越大，处理的速度越快，因此，Cache就像内存与CPU之间的适配器。,高速缓冲存储器CACHE,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,56,衡量CPU性能的主要技术指标,(1)主频 主频是CPU的时钟频率（CPU Clock Speed）。 一般说来，主频越高，CPU的速度越快。 由于内部结构不同，并非所有时钟频率相同的CPU的性能都一样。 (2)外频 外频即系统总线的工作频率。 倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。 三者关系是：主频=外频倍频。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,57,衡量CPU性能的主要技术指标,(3)CPU字长 一般说来，CPU在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的“字” 这组二进制数的位数就是“字长”。 在其他指标相同时，字长越大计算机处理数据的速度就越快。 (4)CPU的生产工艺 现在CPU的生产工艺通常以纳米（nm）来描述，指的是生产工艺中器件的最小线宽，其数值越小说明生产技术越先进。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,58,本章主要内容,2.1 计算机系统的组成与工作原理 2.2 微处理器 2.3 存储系统 2.4 主板、总线与接口 2.5 输入/输出设备,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,59,存储系统 2.3,学习完本节后，你将了解到： 什么是主存储器 什么是外存储器,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,60,存储系统 2.3,存储器是计算机中具有记忆能力的部件，它能根据地址接收和保存指令或数据。 存储器的操作是一个不断存入与取出的过程，我们把存入数据的操作称为“写”操作，把取出数据的操作称为“读”操作。 存储器可分为主存储器和辅存储器两大类。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,61,主存储器 2.3.1,(1) 随机存储器（Random Access Memory，RAM） RAM就是平常所说的内存。 静态RAM（SRAM） 运行速度非常快，CPU内的一级、二级缓存使用SRAM。 动态RAM（DRAM） 就是通常所说的内存，就是因为要不断充电，所以它才叫做动态RAM。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,62,(2) 只读存储器（ROM） 特点： 存储的信息只能读(取出)不能写(存入或修改)，其信息是在制作该存储器时就被写入； 不能随意更新,断电后信息不会丢失。ROM一般用于存放固定不变的、控制计算机的系统程序和数据。,主存储器 2.3.1,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,63,ROM分为: PROM（可编程只读存储器 ） EPROM（可擦除可编程只读存储器-紫外线擦除 ） EEPROM（电改写可编程只读存储器） Flash ROM（闪速存储器） 计算机主板中的BIOS（Basic Input Output System）是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、系统设置信息、开机上电自检程序和系统启动程序。,主存储器 2.3.1,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,64,(3) 高速缓冲存储器（Cache） Cache指在CPU与内存之间设置的一级或两级高速小容量存储器，固化在主板上。 在计算机工作时，系统先将数据由外存读入RAM中，再由RAM读入Cache中，然后CPU直接从Cache中取数据进行操作。 通常人们所说的Cache就是指缓存SRAM。,主存储器 2.3.1,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,65,外存储器 2.3.2,外存储器又称为辅助存储器，或外存。 容量相对较大，存放长期保存或相对来说暂时不用的各种程序和信息 断电后信息不会丢失 微机中常用辅存有软磁盘存储器、硬磁盘存储器、光盘存储器、闪存和磁带等。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,66,1、硬盘,硬盘是一种主要的电脑存储媒介，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。这些碟片外覆盖有铁磁性材料。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,67,硬盘接口,硬盘接口分类 IDE/ATA接口 SATA接口 SCSI接口 光纤通道,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,68,硬盘接口,IDE-Integrated Drive Electronics 即“电子集成驱动器” 它的本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。 优点：减少硬盘的电缆数与长度，兼容性好，制造容易 注意：IDE也是集成开发环境的缩写！ IDE-Integrated Development Environment,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,69,硬盘接口,IDE-Integrated Drive Electronics,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,70,硬盘接口,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,71,硬盘接口,SCSI-Small Computer System Interface,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,72,SATA-Serial ATA 串口硬盘，是未来PC机硬盘的趋势 与以往相比其最大的区别在于能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，提高了数据传输的可靠性。 串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点,硬盘接口,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,73,SATA-Serial ATA,硬盘接口,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,74,光纤通道-Fiber Channel 也不是专为硬盘设计的接口 专为网络系统设计的，由于需要逐渐应用到硬盘系统中 大大提高多硬盘系统的通信速度 光纤通道的主要特性有：热插拔性、高速带宽、远程连接、连接设备数量大等。,硬盘接口,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,75,常用硬盘分类,SCSI硬盘 活动硬盘 笔记本硬盘 微型硬盘 固态硬盘,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,76,常见的硬盘品牌,希捷-台式机硬盘 西部数据-最稳定最畅销的台式/笔记本硬盘 迈拓-最大的硬盘存储方案供应商 日立-笔记本硬盘 东芝-最小、最先进的笔记本硬盘 三星-IDE硬盘,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,77,磁盘阵列技术,磁盘阵列技术大部分属于廉价磁盘冗余阵列RAID (Redundant Arrays Of Inexpensive Drives)。 在磁盘阵列中磁盘的数量越大，系统失效的概率也越大 因此，在磁盘阵列中需要增设一定的冗余存储容量，一旦某个驱动器失效时，数据仍能恢复。 既能提供大容量，又能保证相当的可靠性。 另外，可以通过磁盘阵列对其中的磁盘进行并行读写操作，提高了性能。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,78,2、光盘,光盘存储的优点： 容量大 携带方便 保存信息可靠性高 不易损坏 价格低廉,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,79,2、光盘,(1) 存储原理 光盘与软盘和硬盘一样，光盘也是以二进制数据的形式存储信息。 在写入数据时，有光盘驱动器内的激光头发出激光照射光盘的记录层。 从光盘上读取数据的时候，定向光束(激光)在光盘的表面上迅速移动。根据反射光的强弱就能判断出光盘记录层的记录信息。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,80,(2) 光盘分类 按照物理格式划分： CD系列：CD-R、CD-RW、CD-RAM等。 DVD系列：DVD-R、DVD+R、DVD-RAM、DVD-RW等。,2、光盘,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,81,按照读写限制，可分为以下三种类型： 只读式：CD-ROM、VCD、DVD-ROM； 一次性写入，多次读出式：CD-R、DVD-R、DVD+R； 可读写式：主要有磁光盘（MOD，Magneto - Optical Disk ）和相变盘（PCD，Phase Change Disc）两种。常见的相变盘有CD-RW、CD-RAM、DVD-RW、DVD-RAM等。,2、光盘,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,82,3、闪存和U盘,(1) 闪存卡 CF卡，即Compact Flash，一种袖珍闪存卡。 MMC卡(Multi Media Card)， MMC是一种新型存储卡。 SD卡就是Secure Digital Card安全数码卡，具有大容量、高性能、安全等多种特点的多功能存储卡。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,83,(2) U盘 从容量上讲，U盘的容量比软盘大得多，其容量已达到32GB。U盘外形小巧，更易于携带。且采用支持热插拔的USB接口，使用非常方便。,3、闪存和U盘,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,84,4、磁带,磁带存储器属于顺序存取设备，即磁带上的文件是顺序依次存放的。 当要访问的文件存储在磁带的尾部，则需要将磁带转动到尾部才能对文件进行访问。 这时，磁带用于查找文件所用的时间要比磁盘存储器长，访问速度比较慢。 磁带主要用于后备存储和保存不经常使用的信息，或用作不同系统之间传递数据的一种介质。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,85,本章主要内容,2.1 计算机系统的组成与工作原理 2.2 微处理器 2.3 存储系统 2.4 主板、总线与接口 2.5 输入/输出设备,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,86,主板、总线与接口 2.4,学习完本节后，你将了解到： 系统主板 扩展槽 适配卡 系统总线 端口,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,87,主机主要包括主板、硬盘驱动器、软盘驱动器、CD-ROM驱动器、电源、风扇、各种外设的适配器（接口板）等，具体结构如下图所示。,主板、总线与接口 2.4,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,88,系统主板 2.4.1,主板上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。 主板的类型和档次决定着整个微机系统的类型和档次，主板的性能影响着整个微机系统的性能。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,89,1、芯片组（Chipset） 芯片组是主板的核心组成部分，就是把以前复杂的电路和元件最大限度地集成在几颗芯片内的芯片组。 芯片组决定了主板的功能，进而影响到整个电脑系统性能的发挥，芯片组是主板的灵魂。 芯片组按排列位置不同，分为北桥芯片和南桥芯片 南桥芯片负责I/O总线之间的通信 北桥芯片起主导作用，负责与CPU的联系并控件内存等,系统主板 2.4.1,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,90,系统主板 2.4.1,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,91,扩展槽和适配卡 2.4.2,2、扩展槽 微型计算机采用的是开放式体系结构，在系统主板上装有多个扩展槽 扩展槽与主板上的系统总线相连，任何插入扩展槽的电路板（例如显卡、声卡等）就可以通过总线与CPU相连。 扩展槽是一种添加或增强计算机特性及功能的方法。例如，可以添加独立显卡以增强显示性能；可以添加独立声卡以增强音效；,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,92,扩展槽和适配卡 2.4.2,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,93,扩展槽和适配卡 2.4.2,常用扩展槽种类： AGP（1个）：棕色，插图形加速卡，被PCI Express插槽取代 PCI（3-4个）：白色，接接显卡、声卡、网卡等,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,94,扩展槽和适配卡 2.4.2,常用扩展槽种类： ISA（2-3个）：黑色，接显卡、声卡、网卡等，已淘汰 PCI Express：黄和绿色，第三代I/O总线技术,黄和绿色,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,95,3、适配卡 (1) 显卡（显示卡、图形加速卡） 显示卡由显示芯片、显示内存、RAMDAC等组成，这些组件决定了计算机屏幕上的输出。 (2) 声卡（音频卡） 它有三个基本功能：一是音乐合成发音功能；二是混音器（Mixer）功能和数字声音效果处理器（DSP）功能；三是模拟声音信号的输入和输出功能。,扩展槽和适配卡 2.4.2,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,96,(3) 网卡（网络适配器- NIC） 是连接计算机与网络的硬件设备 常用的是以太网卡 传输速度有10M、10M/100M自适应、1000M (4) 电视卡 计算机安装电视卡可以收看电视，并具有数码录像机的功能 常见的电视卡分为：电视盒、PCI电视卡、USB电视盒、视频转换盒。,扩展槽和适配卡 2.4.2,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,97,(5) SCSI卡 SCSI卡工作在计算机主板和SCSI设备(如SCSI硬盘、SCSI光驱、SCSI接口的扫描仪)之间 SCSI卡是一种32位或64位PCI设备，需要插在主板的32位或64位PCI插槽上 除上述几种适配卡外，常用适配卡还有MODEM卡、IDE接口卡、PC卡等。,扩展槽和适配卡 2.4.2,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,98,系统总线 2.4.3,总线用来连接微机的各功能部件以成为一个整体 一个单处理器系统中的总线，大致分为三类： 内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线 系统总线：CPU同计算机系统的其它高速功能部件（例如存储器等）互相连接的总线， I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总线,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,99,按总线上传送的信息，总线分为： 数据总线DB（Data Bus） 地址总线AB（Address Bus） 控制总线CB（Control Bus） 按照通信方式，总线分为： 并行总线 串行总线 系统总线与输入输出扩展槽相连接，而扩展槽通过插入不同的适配卡来连接不同的外部设备。,系统总线 2.4.3,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,100,2.4.3系统总线,总线位宽 总线可同时传输的二进制数据位数，单位：位 工作频率 总线的工作时钟频率，单位：MHz 总线带宽 总线在单位时间内可传输的数据总量，单位：MB/S（兆字节每秒） 总线带宽=总线位宽*工作频率8 例如：64位、800MHz总线的数据传输率是： 64bit * 800MHz 8Byte=6.4GB/s,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,101,微型计算机常用总线结构类型： (1) ISA总线（工业标准体系结构） ISA 是IBM公司为PC/AT电脑而制定的总线标准，为16位体系结构，数据传输率大约是8MB/S，已淘汰。 (2) PCI总线（外围部件互连体系结构） PCI是一种先进的局部总线。PCI 有32 位和64 位两种，32 位PCI 的数据传输率为133MBs，大大高于ISA。,系统总线 2.4.3,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,102,(3) AGP总线（图形加速接口） AGP总线是一种新型接口标准，它是一种专供显卡使用的总线。所以它拥有很高的传输速率，这是PCI等总线无法与其相比拟的。 (4) USB总线（通用串行总线） USB（Universal Serial Bus）接口允许外设在开机状态下热插拔，最多可串接127个外设，传输速率可达480Mbps。,系统总线 2.4.3,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,103,(5) IEEE 1394总线 IEEE1394接口技术是一种高效的串行接口标准，可以在一个端口上连接多达63个设备，设备间采用树形或菊花链拓扑结构。 IEEE 1394是为了增强外部多媒体设备与电脑连接性能而设计的高速串行总线，传输速率可以达到400Mbps。 利用IEE1394技术我们可以轻易地把电脑和摄像机，高速硬盘，音响设备等多种多媒体设备连接。,系统总线 2.4.3,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,104,(6) PCI Express总线 PCI Express是新一代的总线接口，PCI Express的双单工连接能提供更高的传输速率和质量。现在显卡的接口已经从AGP过渡到PCI Express接口，PCI Express已成为新一代的显卡接口标准。,系统总线 2.4.3,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,105,端口与连接电缆 2.4.4,端口（port）是计算机与外界通讯交流的出口，其中硬件领域的端口又称接口 端口有通用端口和专用端口 通用端口连接多种不同的外部设备 专用接口只能连接某一种特定的外部设备 连接电缆是端口与输入输出设备之间的连接线。,2019/7/11,曲阜师范大学计算机科学学院,106,几种常见的端口,(1) 串行接口（Serial Port） 现在的计算机主板上一般有两个串行口：COM1和、COM2。 串口在传送二进制数据时只能一位一位进行传输，特别适